錢永昌

（廈門外國語學(xué)校，福建 廈門 361012）

要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，物理實(shí)驗(yàn)無疑是一個(gè)非常重要的著力點(diǎn).本文結(jié)合中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，挖掘物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，讓學(xué)生通過積極探索、自主發(fā)現(xiàn)、主動(dòng)反思等方式提升學(xué)生的創(chuàng)新能力.

1 呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明歷程，在領(lǐng)悟與改進(jìn)中滲透創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明與改進(jìn)的過程經(jīng)歷了技術(shù)創(chuàng)新的歷程.教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)中一定要善于利用與挖掘其中蘊(yùn)含的創(chuàng)新教育資源.這里先以長度的直接測量為例談?wù)勅绾卧趯?shí)驗(yàn)儀器教學(xué)中滲透創(chuàng)新能力培養(yǎng).

長度測量工具是指將被測長度與已知長度比較，從而得出測量結(jié)果的工具.提到長度測量的工具，人們立刻聯(lián)想到毫米刻度尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等.普通刻度尺的精確度由最近兩個(gè)均勻的刻線間距決定.要提高普通刻度尺的精確程度一般必須使相鄰刻線加密.然而由于空間所限，一般刻度尺的相鄰刻線最多只能加至mm.而游標(biāo)卡尺，僅僅在卡尺上方加一個(gè)游標(biāo)就可以將精確度提高到數(shù)10倍.其中蘊(yùn)含的創(chuàng)新思想是轉(zhuǎn)換法，即將不可測量的微小長度與游標(biāo)尺一定長度組合成較大的整數(shù)刻度進(jìn)行讀數(shù)，然后將其中補(bǔ)足的那部分已知刻度扣除即可.能夠較大地提高精確度的另外一種長度直接測量工具是螺旋測微器，它也可以輕而易舉地將分度值大大提高（其原理這里不再贅述）.

那么，長度的直接測量工具是不是就已經(jīng)沒有改進(jìn)與創(chuàng)新的空間了呢？其實(shí)只要認(rèn)真分析其中每一種測量工具的局限性，就可以找到發(fā)明點(diǎn).例如我們可以將游標(biāo)卡尺與普通卷尺組合發(fā)明一種精確度較高且量程更大的測量工具.我們還可以將游標(biāo)卡尺上的外量爪、測深桿等與螺旋測微器組合從而擴(kuò)充螺旋測微器的功能等.此外許多長度測量的間接測量方法也蘊(yùn)含了創(chuàng)新教育的資源.如微小等量疊加、化曲為直法等.

不僅長度的測量工具，其他許許多多物理儀器也蘊(yùn)含著大量創(chuàng)新教育素材.如由普通實(shí)驗(yàn)用溫度計(jì)改進(jìn)而來的體溫計(jì)、最高溫度計(jì)（原理與體溫計(jì)類似）、最低溫度計(jì)等.

總之，對于物理儀器的教學(xué)，教師不要僅僅局限在實(shí)驗(yàn)原理、使用規(guī)范、讀數(shù)等基本要求的介紹，而應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)拓展，讓學(xué)生充分了解其中蘊(yùn)涵的創(chuàng)新思想.這樣不僅能加深學(xué)生對儀器使用原理的理解，而且能促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升.

2 展示開放性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)，在體驗(yàn)與探索中滲透創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

開放性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以是規(guī)定主題讓學(xué)生從不同角度思考并進(jìn)行不同方案的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)踐檢驗(yàn)各自設(shè)計(jì)的合理性.也可以是讓學(xué)生從各自的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，自主選題，自行設(shè)計(jì).由于主題或方案的開放性能有效激發(fā)學(xué)生的自主性，他們可以提出自己想探究的問題，或提出自己的研究設(shè)想然后通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn).

在開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)中，學(xué)生已經(jīng)不是知識被動(dòng)的接受者，而是知識的探索者.這種開放性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對教師和學(xué)生都是一種激動(dòng)人心的挑戰(zhàn).在實(shí)際教學(xué)中，開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以是一種現(xiàn)象體驗(yàn)式活動(dòng)，也可以是一種過程參與式活動(dòng)，還可以是一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)式活動(dòng).

2.1 開展現(xiàn)象體驗(yàn)式設(shè)計(jì)活動(dòng)，要求器材簡單、操作方便、現(xiàn)象新異

這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)，其教學(xué)目標(biāo)主要指向新奇物理現(xiàn)象的原理分析.實(shí)驗(yàn)的難度要求不高，適合人人參與，有利于學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的激發(fā)以及培養(yǎng)對物理學(xué)習(xí)的親近感.例如利用流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系設(shè)計(jì)一個(gè)小實(shí)驗(yàn).學(xué)生可以充分利用生活用品（紙張、乒乓球、泡沫塑料、針筒、硬幣等等）來完成形式多樣、現(xiàn)象各異的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，達(dá)到應(yīng)用知識、體驗(yàn)規(guī)律的作用.

對于現(xiàn)象體驗(yàn)式設(shè)計(jì)活動(dòng)的實(shí)施，關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)特的觀察視角和對細(xì)微實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的敏感程度，培養(yǎng)學(xué)生提出問題與遷移應(yīng)用物理規(guī)律的能力.讓學(xué)生反復(fù)在“看到什么，又想到什么？”的反復(fù)思考中，使思維能力得到有效地鍛煉.

2.2 開展過程參與式的設(shè)計(jì)活動(dòng)，要求教師適度放手，讓學(xué)生通過獨(dú)立思考和小組討論解決實(shí)驗(yàn)操作過程中遇到的問題

這類活動(dòng)，即使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理較為清晰，也還會(huì)存在實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)操作的要領(lǐng)等需要進(jìn)一步解決的問題.這時(shí)教師如果能放手讓學(xué)生通過自主探索解決這些問題，就會(huì)對學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的提升起到促進(jìn)的作用.例如設(shè)計(jì)一個(gè)利用水柱測定大氣壓的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先要選擇粗細(xì)和硬度合適的水管，并粗略估算出水管的長度至少應(yīng)是多大.然后還要解決用何種方法將水管上方的空氣排空，怎樣測量使內(nèi)外液面的高度差更準(zhǔn)確等等.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最大亮點(diǎn)，在于有利于學(xué)生合作和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng).實(shí)驗(yàn)時(shí)至少需要5、6位學(xué)生分布在不同的樓層，完成不同的任務(wù).究竟小組成員之間如何分工，誰擔(dān)任艱巨的任務(wù)、誰負(fù)責(zé)小組成員間的溝通與協(xié)調(diào)，以及采用何種方式協(xié)調(diào)等都會(huì)對實(shí)驗(yàn)成敗產(chǎn)生重要的影響.在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中我們發(fā)現(xiàn)，有的小組采用大聲喊的方法來溝通，結(jié)果互相干擾致使多次實(shí)驗(yàn)失敗，而有的小組則僅僅用簡單的手勢就解決了問題.

2.3 開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，教師只須提供器材和設(shè)定完成的任務(wù)，大膽放手，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)能力

對于實(shí)驗(yàn)的原理分析、設(shè)計(jì)方案、測量步驟、注意事項(xiàng)、操作要領(lǐng)等均可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論，并由教師認(rèn)可后再由小組內(nèi)學(xué)生分工進(jìn)行.任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對創(chuàng)新能力要求較高，學(xué)生們要綜合應(yīng)用所學(xué)知識和現(xiàn)有資源，達(dá)成規(guī)定的任務(wù).而解決問題的途徑往往不止一種，他們要經(jīng)過對比、分析、嘗試才有可能成功.這樣對學(xué)生們非智力因素的培養(yǎng)也有促進(jìn)意義.例如利用米卷尺和直桿測定旗桿的高度，就要求學(xué)生充分綜合運(yùn)用物理知識與數(shù)學(xué)知識來解決這個(gè)實(shí)際問題.遇到困難時(shí)要善于變通解決，巧妙地進(jìn)行轉(zhuǎn)化使困難逐個(gè)迎刃而解.這種任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)跟成人的創(chuàng)造發(fā)明活動(dòng)非常類似，有助于學(xué)生創(chuàng)造能力的進(jìn)一步提升.

3 落實(shí)實(shí)驗(yàn)制作環(huán)節(jié)，突出“做中學(xué)”，在操作與比較分析中滲透創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)制作是一項(xiàng)從模仿到創(chuàng)新、手腦并用的過程.物理教師不要輕視學(xué)生的模仿與制作活動(dòng)，其實(shí)這種活動(dòng)正是創(chuàng)新發(fā)明的土壤.哪怕是由一個(gè)紙筒做的小孔成像儀，學(xué)生經(jīng)過親自動(dòng)手制作與改進(jìn)，他們從經(jīng)歷失敗到成功的過程不僅能領(lǐng)悟到其中的物理原理、制作技巧、感受到探索物理問題的樂趣，同時(shí)在制作過程也會(huì)產(chǎn)生一系列新的值得探索的問題.例如選用什么材料才能使成像效果更好，小孔多大才最合適等等.

下面結(jié)合簡易電動(dòng)機(jī)模型的制作案例，來談?wù)勅绾卧趯?shí)驗(yàn)制作活動(dòng)中滲透對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

圖1

案例1.圖1所示的是根據(jù)普通電動(dòng)機(jī)原理制作出的電動(dòng)機(jī)模型.它的特點(diǎn)在于省略換向器.通過部分刮漆的方法只讓線圈在半圈內(nèi)通電轉(zhuǎn)動(dòng)，其余半圈不受反向的力，只依慣性轉(zhuǎn)動(dòng).學(xué)生在制作的過程中會(huì)思索許多有價(jià)值的問題.例如：它是如何實(shí)現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的？它轉(zhuǎn)動(dòng)的方向由什么因素控制？轉(zhuǎn)速的大小如何調(diào)節(jié)？隨著這些問題的探索，學(xué)生的創(chuàng)新思維也得到了鍛煉.

圖2

案例2.將螺絲釘較大的一頭吸附在兩個(gè)小磁鐵上，尖的一頭吸在電池上，將銅導(dǎo)線一端用手壓在電池的另一端，銅導(dǎo)線另一端接觸小磁鐵，使其自轉(zhuǎn)，如圖2所示.這個(gè)小小電動(dòng)機(jī)雖然簡單，但其構(gòu)思卻是相當(dāng)巧妙的.它既省略了線圈，又省略了轉(zhuǎn)動(dòng)支架.螺絲釘?shù)募舛送ㄟ^磁力吸在電池上，利用磁懸浮減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力.這是一個(gè)相對簡單的制作，但是實(shí)際制作過程中也會(huì)遇到許多實(shí)際問題：如螺絲的長短、導(dǎo)線與磁鐵接觸的阻力、磁鐵周邊是否生銹等都會(huì)影響實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)情況.學(xué)生在制作與改進(jìn)中也會(huì)感悟其中的奧秘.

圖3

案例3.將小磁鐵吸附在電池兩端，在磁鐵上勾上銅導(dǎo)線，則使電池自己滾動(dòng)，如圖3所示.

這個(gè)制作粗看十分簡單，但是要使實(shí)驗(yàn)成功，首先導(dǎo)線與磁鐵的阻力要盡量小，而且要接觸良好.其次桌面要盡量保持水平和光滑.所以這個(gè)制作對學(xué)生的動(dòng)手能力、意志力和精益求精的精神都是一個(gè)考驗(yàn).案例4.將小磁鐵吸附在電池一端，將銅導(dǎo)線做成心形、螺旋形或各類形狀，使其可立足在電池的另一端，并且連接電池上下兩端，做成一個(gè)模擬電動(dòng)機(jī)，觀察導(dǎo)線能否圍繞電池自轉(zhuǎn)，如圖4所示.

圖4

學(xué)生在制作模仿過程中遇到最大的難題是線圈頂在電池正極較易滑落，轉(zhuǎn)子很不穩(wěn)定.另外就是線圈下端與磁鐵接觸部位阻力很大.為了克服以上問題，學(xué)生在不斷探究與試誤中進(jìn)行創(chuàng)新.他們將電池正負(fù)極對調(diào)，讓電池負(fù)極平整部分與線圈頂端接觸，并改變線圈底部與磁鐵接觸方式.這樣，使轉(zhuǎn)動(dòng)效果大為改善.

同樣一個(gè)目的，實(shí)現(xiàn)的方法如此多樣.學(xué)生在一個(gè)比一個(gè)簡單、有效的制作中感受物理科學(xué)帶來的驚奇與樂趣.

4 倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)反思，突出交流評估，在思維碰撞和激蕩中滲透創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)反思就指學(xué)生自覺地把自己或他人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作分析等過程，作為認(rèn)識對象而進(jìn)行全面而深入的思考和總結(jié)，從而進(jìn)入更優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，使自己實(shí)踐和創(chuàng)新的能力得到更充分的發(fā)展.實(shí)驗(yàn)反思是一種有益的思維活動(dòng)和再學(xué)習(xí)的過程.實(shí)驗(yàn)反思可以提高學(xué)生科學(xué)探索的自主性和積極性.實(shí)驗(yàn)反思的目的是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).經(jīng)常性的實(shí)驗(yàn)反思可使學(xué)生的研究能力、創(chuàng)新能力得到提高.教學(xué)中教師要提供時(shí)間與平臺(tái)讓學(xué)生交流感受并對實(shí)驗(yàn)的得失進(jìn)行較為的深入思考與總結(jié).

實(shí)驗(yàn)反思有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并有效解決問題，從而能夠高質(zhì)量地完成探索課題.有利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)小組乃至全班同學(xué)之間積極互動(dòng)，并形成知識資源的合理分配與利用，從而使小組成員密切配合、高效率地完成實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)反思對創(chuàng)新具有直接的促進(jìn)作用.通過鼓勵(lì)對原定目標(biāo)和設(shè)想的質(zhì)疑，反思可以激發(fā)小組成員擺脫舊思維的約束，為新創(chuàng)意的產(chǎn)生創(chuàng)造條件.此外，鼓勵(lì)公開地表達(dá)不同意見，可以產(chǎn)生一種“腦力激蕩”的效果，善于進(jìn)行反思的小組成員能夠認(rèn)真思考和理解對立意見，從中吸取合理成分來補(bǔ)充完善自己的方案.

下面例舉學(xué)生對電動(dòng)機(jī)制作實(shí)驗(yàn)的一些典型反思.

（1）圖2的實(shí)驗(yàn)我們做成功了，主要因?yàn)閷?dǎo)線接觸良好外，電池電量相對充足，足以使螺絲釘轉(zhuǎn)動(dòng)起來.但一開始，螺絲釘轉(zhuǎn)得很慢并且容易停下，可能是小磁鐵磁性不夠，螺絲釘受到的動(dòng)力不夠，因此我們小組在螺絲釘下端加上兩塊小磁鐵，果然效果比之前要好.但是實(shí)驗(yàn)中我們還是有尚未解決的問題：在只有一塊小磁鐵時(shí)，螺絲釘會(huì)緩慢的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，之后又自己逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).后來又加入一塊磁鐵的情況下，卻能穩(wěn)定的朝一個(gè)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn).（這是新的問題，值得進(jìn)一步探究.）

（2）圖3的實(shí)驗(yàn)無法做成功原因之一，可能是因?yàn)殂~導(dǎo)線與小磁鐵的接觸不良導(dǎo)致.要使銅導(dǎo)線接觸良好，操作比較困難.一方面原因是銅導(dǎo)線較軟且很細(xì)，很難將其固定，這需要很長時(shí)間.如果用較粗的漆包線可能成功，但也需要一定時(shí)間調(diào)整線圈的彎曲程度.還可能因?yàn)殡姵嘏c桌面或?qū)Ь€與桌面之間的摩擦過大而影響實(shí)驗(yàn)效果.

（3）在圖4的實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到即使導(dǎo)線下端只有一邊和電池接觸而另一端懸空，導(dǎo)線仍然能圍繞電池自轉(zhuǎn).我們發(fā)現(xiàn)如果銅導(dǎo)線都是漆包線，質(zhì)地較硬，接觸良好，所以才容易成功.之后我們發(fā)現(xiàn)其他小組又將銅導(dǎo)線拗成各種形狀，也能轉(zhuǎn)動(dòng)，大家也不甘落后，行動(dòng)起來，很好地提高了我們的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力.

從這些實(shí)驗(yàn)反思中可以看出學(xué)生的思維得到充分的鍛煉.這些反思的問題不是教師強(qiáng)加給他們，而是他們自己通過實(shí)驗(yàn)提出的，也沒有現(xiàn)成的答案.這樣的反思激發(fā)了他們的好奇心，對創(chuàng)新能力的提升也有促進(jìn)作用.